IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Во всем мире наблюдается всплеск проектирования и строительства высотных зданий и небоскребов. Проектирование высотных зданий существенно отличается для различных сейсмически активных районов. Каждое высотное здание разрабатывается по индивидуальному проекту, а при высоте более 100 м Градостроительный кодекс относит к уникальным [1].

К сожалению, на сегодняшний день у традиционной сейсмозащиты все имеющиеся положительные резервы уже выявлены и задействованы, поэтому ожидать существенных улучшений положения в эффективности и надежности сейсмозащите не приходится. Кроме этого, при разрушительных землетрясениях (с интенсивностью сейсмического воздействия свыше девяти баллов), традиционные методы сейсмозащиты оказываются недостаточными и слишком затратными [2].

Известно, что характер поведения зданий и сооружений во время землетрясения предугадать весьма сложно, в связи с этим наряду с традиционными способами сейсмозащиты были разработаны нетрадиционные способы, специальные, такие как активная и пассивная сейсмозащита. Специальные способы сейсмозащиты позволяют не только снизить затраты на усиление конструкции здания, но и повысить прочность и надежность всей конструкции.

Для наглядности проиллюстрируем вышеизложенную классификацию таблицей:

Таблица 1 – Способы сейсмозащиты зданий и сооружений

 

Специальная

Традиционная

 

 

Пассивная

Активная

 

 

Сейсмогашение

Сейсмоизоляция

 

 

Динамические гасители колебаний

Адаптивная

Стационарная

Демпфи-рование

 

 

При отсутствии возвращающей силы

При наличии возвращающей силы

 

 

Гравитационная (на пневматических опорах)

На упругих элементах

 

В настоящее время известно более 100 запатентованных конструкций сейсмозащиты, отличных от традиционных. Классификация таких способов приведена выше. Рассмотрим подробнее каждый из этих способов.

В связи со строительством высотных зданий в сейсмоактивных районах, использование специальных активных способов сейсмозащиты как никогда актуально. Активные способы включают в себя использование дополнительных источников энергии и элементы, регулирующие работу этих источников. Достоинство данной системы заключается в том, что стало возможно управлять колебательным процессом не только от сейсмических, но и от ветровых воздействий. Однако ее реализация требует значительных затрат на устройство и эксплуатацию. Это исключает возможность широкого применения активной сейсмозащиты для строительных конструкций.

Примером такого способа может служить создание специального технического этажа. На нем расположены датчики малой массы, которые позволяют снизить динамическое колебательное воздействие на данный этаж (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема управляемого высотного сооружения

К активным устройствам сейсмозащиты могут быть отнесены устройства, показанные на рисунке 2 [3].

Рисунок 2 – Примеры изоляции сооружения при сейсмических колебаниях грунта посредством высокочастотного электрогидравлического сервомеханизма

Также различают методы пассивной сейсмозащиты, не использующие дополнительных источников энергии. Эти методы подразделяются на сейсмогашение и сейсмоизоляцию.

Основная идея сейсмоизоляции состоит в использовании разницы между спектром частот собственных колебаний сооружения от спектра частот колебаний его основания при землетрясении. Этот прием используется для снижения инерционной сейсмической нагрузки. Эта цель достигается введением в систему между фундаментом и основанием податливых опор для возможности обеспечения необходимых перемещений фундамента и опор относительно пролетного строения. Эти опоры должны иметь определенную жесткость, которая подбирается исходя из условия преобладания периода собственных колебаний здания над преобладающим периодом ускорения сейсмических колебаний.

Условно сейсмоизоляцию можно разделить на две группы: стационарную и адаптивную.

В стационарных системах в процессе землетрясения сохраняются динамические характеристики. В адаптивных же, наоборот, динамические характеристики необратимо изменяются, «приспосабливаясь» к характеру сейсмической нагрузки.

Стационарные системы делятся на системы с наличием и отсутствием восстанавливающей силы. Системы с восстанавливающей силой разделяют на упругие – восстанавливающей силой является сила упругости, и гравитационные, у которых восстанавливающей является сила тяжести.

Примером системы с наличием восстанавливающей силы могут служить здания с гибким нижним этажом. Гибкий нижний этаж выполняется, обычно, из упругих опор, гибких стоек, свай и т.д.

Японскими учеными был предложен вариант конструктивного исполнения гибкого нижнего этажа, условная схема которого показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Здание с гибким нижним этажом.

1 – надземная часть здания; 2 – гибкие опорные элементы; 3 – подземная часть здания

Данная конструкция состоит из гибких опор, выполненных из упругих пучков стержней относительно небольшого диаметра. Упругие стержни располагаются между надземной и подземной частями здания.

Также одним из примеров таких опор могут случить здания на резинометаллических опорах. Такая опорная часть ведет себя как упруго-пластический элемент, иными словами обеспечивает сейсмоизоляцию и ограничивает воздействие сейсмической нагрузки на сооружение. Дли повышения демпфирования¹ они могут снабжаться свинцовым сердечником (рис.4)

Рисунок 4 – Резинометаллическая опора

1 – свинцовый сердечник; 2 – резиновая опорная часть; 3 – металлические пластины

Принцип действия такой опоры очень прост: свинцовый сердечник рассеивает энергию, в то время как резинометаллический сейсмоизолятор обеспечивает перемещения. Достоинство системы заключается в том, что свинцовый сердечник сохраняет свои характеристики при неограниченном количестве циклов перемещения.

Серьезной проблемой при проектировании сооружений на упругих опорах явилась сложность обеспечения их прочности при значительных взаимных перемещениях сейсмоизолированных частей фундамента. Это послужило причиной широкого распространения кинематических опор.

Кинематические опоры служат примером стационарных систем сейсмоизоляции при наличии восстанавливающей силы - силы тяжести.

Сейсмоизолирующие фундаменты на кинематических гравитацоныых опорах были разработаны многими авторами (рис. 5 и рис. 6).

Принцип действия такой конструкции состоит в том, что во время землетрясения центр тяжести опор поднимается, в результате чего образуется гравитационная восстанавливающая сила. При этом колебания здания происходят около положения равновесия, и их начальная частота и период зависят от геометрических размеров используемых опор.

Рисунок 5 – Кинематический фундамент В.В. Назина

1 – надземная конструкция; 2 – эллипсоиды вращения

Рисунок 6 – Кинематический фундамент Ю.Д. Черепинского

За рубежом широкое распространение получили шаровые кинематические опоры (рис. 7).

Рисунок 7 – Схематичный чертеж шаровой кинематической опоры

Необходимо отметить, что построенные фундаменты этого типа не имеют специальных демпфирующих устройств, и при длиннопериодных воздействиях силой более 8 баллов, согласно выполненным расчетам, возможно падение здания с опор. Это указывает на опасность фундаментов на кинематических опорах, если в них не предусмотрены дополнительные демпфирующие элементы.

При значительном объеме строительства зданий и сооружений с сейсмоизоляцией на упругих кинематических опорах до настоящего времени отсутствуют данные об их поведении при землетрясениях, а имевшие место разрушения таких зданий указывают на необходимость детального обоснования их сейсмостойкости [3].

Примером стационарной системы сейсмоизоляции при отсутствии возвращающей силы может служить фундамент с сейсмоизолирающим скользящим поясом (рис. 8). Система включает в себя верхнюю обвязку и ростверк, между которыми введены фторопластовые пары, которые ограничивают перемещения. Принцип действия сейсмоизолирующего пояса заключается в следующем: при действии на здание сейсмической нагрузки происходит смещение ростверка относительно верхней обвязки. Это снижает нагрузку до величины силы трения между листами фторопласта. Смещение здания относительно фундамента находится в безопасных пределах.

Рисунок 8 – Схематичный чертеж конструкции сейсмоизолирующего пояса

1,2 – верхняя и нижняя фундаментные плиты; 3 – упругий ограничитель горизонтальных перемещений; 4 – скользящая опора; 5 – жесткий ограничитель горизонтальных перемещений; 6 – ограничитель вертикальных перемещений; 7 – вертикальный амортизатор; - предельно допустимая величина смещения здания по отношению к фундаменту.

Наряду со стационарной системой сейсмоизоляции в современной практике сейсмостойкого строительства используются системы адаптивной сейсмоизоляции. Как уже было сказано выше, такие системы меняют свои динамические характеристики в процессе внешнего сейсмического воздействия, таким образом они «адаптируются» к колебательному процессу. Особое внимание в своих исследованиях такому способу сейсмозащиты уделял Я.М. Айзенберг, В.И. Смитрнов и их ученики.

Примером адаптивной сейсмоизоляции могут служить здания с выключающимися связями (рис. 9).

В нижней части здания между несущими стойками нижнего этажа установлены связевые панели, отключающиеся при интенсивных сейсмических воздействиях, когда в спектре воздействия преобладают периоды, равные или близкие к периоду свободных колебаний сооружения. После отключения панелей частота свободных колебаний падает, период колебаний увеличивается, происходит снижение сейсмической нагрузки. При низкочастотном воздействии период собственных колебаний здания со связевыми панелями значительно ниже величин преобладающих периодов колебаний грунта, поэтому резонансные явления проявляются слабо и связевые панели не разрушаются.

Применение выключающихся связей наиболее эффективно в том случае, когда уверенно прогнозируется частотный состав ожидаемого сейсмического воздействия. В качестве недостатков необходимо отметить, что после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда практически осуществимо.

Рисунок 9 – Схема здания с выключающимися связями

1 – гибкие опорные элементы; 2 – связевые панели

К пассивной сейсмозащите зданий относится метод сейсмогашения. В случае сейсмогашения используются демпферы и динамические гасители.

Все применяемые в практике сейсмостойкого строительства демпфирующие устройства можно условно разделить на гидравлические и механические.

Рассеивание энергии в гидравлических демпферах происходит за счет сил вязкого сопротивления, препятствующих перетеканию жидкости или вязкого вещества под давлением.

Таблица 2 – Достоинства и недостатки гидравлических демпферов

Преимущества	Недостатки
- возможность получения вязких сил сопротивления при относительно малых размерах; - плавно включаются в работу; - не вызывают высокочастотных колебаний.	- относительная высокая стоимость; - сложность эксплуатации.

Применяют на практике в основном два вида вязких демпферов: свинцовые и жидкостные.

Принцип работы свинцовых демпферов заключается в рассеивании энергии за счет преодоления сил пластической деформации свинца, возникающих при выдавливании его через экструзивное отверстие (рис. 10).

Рисунок 10 – Свинцовый демпфер

1 – отверстие; 2 – заглушка; 3 – свинец; 4 - втулка

Свинцовые демпферы имеют ряд преимуществ, за что и получили широкое распространение не только в России, но и за рубежом. К таким преимуществам можно отнести:

- большой срок службы. Процессы деформации свинца происходят в герметично закрытом сосуде, поэтому потери массы не происходит. Это позволяет не менять демпфер после землетрясения;

- выделение высокой температуры, что позволяет свинцу практически моментально восстанавливать свою кристаллическую решетку. За счет этого сохраняется пластичность свинца.

Но с практической точки зрения наиболее удобны в эксплуатации демпферы сухого трения (ДСТ). Примером такого способа сейсмоизоляции может служить конструктивное решение, предложенное В.В. Назиным ля высотных зданий с гибким нижним этажом (рис.11).

Рисунок 11 – Демпфирующее устройство В.В.Назина

1 – надземная часть здания; 2 – верхняя фундаментная плита; 3 – гибкие опорные стойки;

4 – нижняя фундаментная плита; 5 – консольный стержень; 6 – система железобетонные колец

Принцип работы такой конструкции заключается в следующем. В верхнюю фундаментную плиту жестко закреплен консольный стержень. Этот стержень не доходит до нижней фундаментной плиты. При больших колебаниях конструкции стержень заставляет смещаться систему железобетонных колец. В результате смещения колец возникают силы трения и за счет них гасится энергия колебаний. Регулирование же демпфирующих характеристик осуществляется за счет подбора параметров колец. Ниже приведены достоинства и недостатки ДСТ (табл. 8).

Таблица 3 – Достоинства и недостатки ДСТ

Преимущества	Недостатки
- низкая стоимость; - простота устройства;	- возникновение высокочастотных колебаний из-за изменения сил, что влияет на поведение конструкции; -зависимость сил трения от передаваемого на ДСТ веса конструкции, что приводит к нестабильности их характеристик при динамическом воздействии; - создание необходимых сил трения приводит к быстрому износу и нестабильности характеристик ДСТ, это заставляет тщательно подбирать трущиеся пары.

Наряду с демпфированием на практике используют динамические гасители колебаний (ДГК) - системы с повышенными характеристиками затухания. Эти системы особенно эффективны для конструкций башенного типа.

При использовании динамических гасителей необходимо осуществлять регулирование масс элементов системы и жесткости связей между ними, при котором обеспечивается противофазность колебаний отдельных элементов, приводящая к снижению инерционных усилий.

В зависимости от конструктивного выполнения упругих связей динамические гасители делятся на три группы:

- Пружинные

- Маятниковые

- Комбинированные

Инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой (рис. 12).

Рисунок 12 - Схема простейшего пружинного одномассового динамического гасителя.

К недостаткам этого технического решения можно отнести сложность системы и большие материальные затраты на ее содержание.

Наиболее перспективным направлением разработки систем с динамическими гасителями колебаний следует считать использование опорных частей, включающих дополнительные упругие элементы, выполненные в виде изгибаемых вертикальных стержней, размещенных под нижним балансиром стандартной опорной части. Жесткость стержней подбирается таким образом, чтобы колебания пролетного строения были противофазны колебаниям опоры. Стержни могут иметь жесткостные характеристики, различные в направлениях вдоль и поперек оси моста, а также могут быть снабжены дополнительной связью, разрушающей при заданной балльности землетрясения.

При проектировании зданий, оснащенных сейсмоизоляцией и демпферами, необходимо, помимо спектрального расчета выполнять прямой динамический расчет с использованием инструментально зарегистрированных акселерограмм- что, в свою очередь, повышает требования к сейсмологическим прогнозам для площадки строительства.

Библиографический список

1. Федеральный закон Российской Федерации от 29 декабря 2004 года № 190-ФЗ «Градостроительный кодекс Российской Федерации».

2. Поляков, С. В. Сейсмостойкие конструкции зданий (основы теории сейсмостойкости) / С. В. Поляков. – М. : Высшая школа, 1983. – 304 с.

3. Быховский, В.А. Сейсмостойкие сооружения за рубежом (по материалам VII мкждунар. конф. По сейсмостойкому строительству) [Текст] / В.А. Быховский, К.С. Завриев и др. – М.: Госстройиздат, 1968. – 420с

4. 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах. СНиП II-7-81* (актуализированного СНиП II-7-81* "Строительство в сейсмических районах" (СП 14.13330.2011)) (с Изменением N 1) [Текст]; УТВЕРЖДЕН приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 18 февраля 2014 г. -104 с.

1^ Демпфирование – способ гашения или предотвращения колебаний, возникающих в системах или сооружениях при их работе.

Код для цитирования: Скопировать